DE19634823A1 - Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine niederinduktive, hoch­ ohmige Dioden-Anordnung mit mehreren elektrisch parallel ge­ schalteten, scheibenförmigen Dioden und zwei Stromschienen, die mit einem Block verspannt sind.

Im Aufsatz "Leistungshalbleiter in Scheibenbauform und ihre Anwendungsmöglichkeiten" von Erhard Lehmann und Heinz Martin, abgedruckt in der Siemens-Zeitschrift, Band 48 (1974), Heft 10, Seiten 791-798, werden in den Fig. 7 und 8 mit zugehö­ rigem Text die Montage von Scheibenbauelementen und die er­ forderlichen Einspannvorrichtungen vorgestellt. Eine Ein­ spannvorrichtung zur Montage von scheibenförmigen Halbleiter­ elementen für eine einseitige Kühlung weist einen Kühlkörper, Spannschrauben, einen Stromanschluß, eine Tellerfeder und eine Spannkappe auf. Anstelle der Tellerfeder kann ein Druck­ stück und anstelle der Spannkappe eine Blattfeder verwendet werden. Mittels der Spannkappe, der Tellerfeder, der Spann­ schrauben und des Kühlkörpers wird das scheibenförmige Halb­ leiterelement mit dem Stromanschluß zwischen dem Kühlkörper und der Spannkappe verspannt. Der erforderliche Druck hangt von der Größe des scheibenförmigen Halbleiterelementes ab. Dieser Druck soll möglichst gleichmaßig über die äußere Kon­ taktflache verteilt sein. Bei der Spannvorrichtung wird vor­ ausgesetzt, daß die Kühlplatte bzw. der Kühlkörper hinrei­ chend steif ist, damit sich die Auflagefläche durch den Ge­ gendruck nicht verbiegt.

In der Fig. 15 dieses Aufsatzes ist eine Dioden-Anordnung dargestellt, die drei Dioden mit jeweils zwei Kühldosen auf­ weist. Diese Dioden-Anordnung weist ebenfalls noch drei Stromschienen und eine Verbindungsschiene auf, die von den Kühldosen getrennt sind und bei der Montage der Blöcke mit­ verspannt werden. Diese drei Dioden mit ihren Kühldosen und Stromschienen sind mit einer gemeinsamen Druckplatte ver­ spannt.

Eine derartige Dioden-Anordnung kann beim Aufbau einer Rück­ schwing-Anordnung für einen Stromrichter mit Spannungszwi­ schenkreis verwendet werden. Eine derartige Rückschwingdi­ oden-Anordnung weist neben der Dioden-Anordnung einen Dämp­ fungswiderstand zur Dämpfung von hochfrequenten Stromschwin­ gungen zwischen der Kondensatorbatterie des Spannungszwi­ schenkreises und den Streuinduktivitäten einer Phase des Stromrichters und der Rückschwingdioden-Anordnung auf. Bei einem Stromrichter (Pulswechselrichter, Vierquadrantenstel­ ler) mit Spannungszwischenkreis wird die Kondensatorbatterie durch Zünden eines Kurzschließers oder durch zufälliges oder absichtliches Zünden beider Zweigventile einer Phase des Stromrichters kurzgeschlossen. Die Kondensatorbatterie ent­ lädt sich über die Zweigventile der einen Phase des Strom­ richters oder über das Ventil eines Kurzschließers. Wenn die Spannung an der Kondensatorbatterie gleich Null ist, wird der Strom durch die Streuinduktivitäten der Phase oder des Kurz­ schließers weitergetrieben. Dieser Strom fließt nun über die Freilaufdioden der Zweigventile weiterer Phasen des Strom­ richters. Da die Höhe dieses Stromes die Stoßstromfähigkeit der Freilaufdioden deutlich übersteigt, werden zum Schutz dieser Freilaufdioden der Zweigventile ausreichend dimensio­ nierte Rückschwingdioden an den Zwischenkreis geschaltet. Diese Rückschwingdioden übernehmen einen Großteil dieses Ent­ ladestromes, wenn diese Rückschwingdioden niederinduktiver an den Spannungszwischenkreis angeschlossen sind als die Phasen des Stromrichters. Zusätzlich zu diesen Rückschwingdioden ist ein ohmscher Widerstand mit einem Wert von etwa 1 mΩ vorge­ sehen, der elektrisch in Reihe zu den elektrisch parallel ge­ schalteten Rückschwingdioden geschaltet ist. Die Energie, die in der Kondensatorbatterie des Spannungszwischenkreises des Stromrichters gespeichert ist, wird durch Leitungsverluste in Wärme umgewandelt, während ein hochfrequenter Entladestrom zwischen der Kondensatorbatterie und den Streuinduktivitäten der Phase oder des Kurzschließers schwingt.

Bei einer Rückschwingdioden-Anordnung eines Traktionsstrom­ richters sind mehrere Rückschwingdioden in einem spannverband mit Kupferstromschienen elektrisch parallel geschaltet. Der benötigte Dämpfungswiderstand wird dadurch erzielt, daß die­ ser Spannverband mittels relativ langer Edelstahlschienen mit den Stromschienen des Spannungszwischenkreises verschraubt ist. Zur Erzielung eines bestimmten Widerstandswertes werden diese Edelstahlschienen zusätzlich mit Löchern versehen.

Da die Dicken der Dioden toleranzbehaftet sind, müssen die die Dioden verbindenden Stromschienen einen Ausgleich schaf­ fen, damit die Spannkraft gleichmäßig über die äußere Kon­ taktfläche der scheibenförmigen Dioden wirkt. Dies wird da­ durch erreicht, daß die Stromschienen mit Einschnitten zwi­ schen den einzelnen Rückschwingdioden versehen sind.

Wie bereits erwähnt, kann die Rückschwingdioden-Anordnung nur dann ihre Aufgabe erfüllen, wenn diese Anordnung niederinduk­ tiver an den Stromschienen des Spannungszwischenkreises ange­ schlossen ist als die Phasen des Stromrichters (Pulswechsel­ richter, Vierquadrantensteller).

Bei den derzeitig eingesetzten Traktionsstromrichtern, die entweder ölbadgekühlte oder siedebadgekühlte Stromrichter­ phasenmodule verwenden, sind diese nicht niederinduktiver an­ schließbar als eine Rückschwingdioden-Anordnung, so daß die Bedingung für die einwandfreie Funktion dieser Rückschwingdi­ oden-Anordnung erfüllt wird. Bei den zukünftigen Traktions­ stromrichtern werden Phasenmodule eingesetzt, die wasserge­ kühlt sind. Diese Phasenmodule sind derartig niederinduktiv, daß die bisherige Rückschwingdioden-Anordnung nicht mehr ver­ wendet werden kann, da durch die relativ langen Edelstahl­ schienen für die Erzeugung des Dämpfungswiderstandes diese Rückschwingdioden-Anordnung nicht mehr niederinduktiver aus­ geführt werden kann als ein wassergekühltes Stromrichter- Phasenmodul.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Rückschwingdioden-Anordnung derart zu modifizieren, daß diese niederinduktiv und hochohmig zugleich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicken der beiden Stromschienen unterschiedlich sind, und daß die Dicke der einen Stromschiene derart gewählt ist, daß die­ se mechanisch flexibel ist.

Durch diese Ausgestaltung der beiden Stromschienen des Spann­ verbandes der Dioden-Anordnung erhält man einen hochohmigen Widerstand auf kleinem Raum, und Toleranzen der Diodendicken werden ausgeglichen, ohne daß die Spannkräfte beeinflußt wer­ den. Der Widerstandswert ändert sich mit der Dicke der einen Stromschiene derart, daß sich bei Verringerung der Dicke die­ ser Widerstandswert erhöht. Somit erhält man eine Dioden- Anordnung mit integriertem Dämpfungswiderstand. Das heißt, man benötigt keine zusätzlichen Stromschienen zur Erzeugung eines Dämpfungswiderstandes dieser Dioden-Anordnung, wodurch der Induktivitätswert dieser Dioden-Anordnung wesentlich kleiner ist. Auch steht bei der Umsetzung eines vorbestimmten Widerstandwertes für den Dämpfungswiderstand der Dioden- Anordnung bei der Verwendung als Rückschwingdioden-Anordnung der Widerstandswert nicht mehr im Widerspruch zu einem niede­ rinduktiven Aufbau dieser Anordnung. Der Widerstandswert bei gleichem Material für die Stromschienen ändert sich umgekehrt proportional zur Dicke der Stromschiene.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der niederinduktiven, hochohmigen Dioden-Anordnung, deren Dioden zweistöckig ver­ spannt sind, ist die dicke Stromschiene zwischen unteren und oberen, räumlich nebeneinander angeordneten Dioden angeord­ net, ist eine weitere mechanisch flexible Stromschiene vorge­ sehen und sind diese mechanisch flexiblen Stromschienen der­ art geformt, daß sie einen gemeinsamen elektrischen Anschluß bilden. Durch diese Ausgestaltung erhält man eine besonders raumsparende Dioden-Anordnung, die zudem niederinduktiv und hochohmig ist, wobei die dicke mittlere angeordnete Strom­ schiene die Funktion eines tragenden Elementes übernimmt. Durch diese kompakte und stabile Bauweise der Dioden-Anord­ nung kann diese flexibel im Stromrichtergerät an den Strom­ schienen des Spannungszwischenkreises angeschlossen werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der niede­ rinduktiven, hochohmigen Dioden-Anordnung sind die Strom­ schienen jeweils derartig mit Einschnitten versehen, daß sich in Stromflußrichtung vor jeder Diode dieser Anordnung ein an­ nähernd gleichgroßer ohmscher Widerstand bildet. Somit erhält man eine annähernd gleiche Stromaufteilung über die mehreren elektrisch parallel geschalteten Dioden dieser Dioden-Anord­ nung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen dieser Dioden-Anord­ nung sind den Unteransprüchen 4 bis 10 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine vorteilhafte Ausführungsform der Dioden-Anordnung nach der Erfindung schematisch veranschau­ licht ist, wobei die

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die

Fig. 2 eine Seitenansicht von links und die

Fig. 3 eine Draufsicht zeigen.

In der Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer vor­ teilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dioden- Anordnung dargestellt. Diese Dioden-Anordnung weist sechs Di­ oden 2 und 4 auf, die zweistöckig in dieser Anordnung ver­ spannt sind. Die Dioden 2 sind räumlich nebeneinander ober­ halb einer Stromschiene 6 und die Dioden 4 sind räumlich ne­ beneinander unterhalb dieser Stromschiene 6 in dieser Dioden- Anordnung angeordnet. Diese Dioden-Anordnung ist als Spann­ verband für scheibenförmige Halbleiterelemente ausgeführt.

Dieser Spannverband weist einen Block 8, Spannbolzen 10, Druckplatten 12, Spannschrauben 14 und Blattfedern 16 auf. Jeweils zwei Dioden 2 und 4 werden mittels zweier Spannbolzen 10, einer Druckplatte 12, einer Spannschraube 14 und einer Blattfeder 16 mit dem Block 8 verspannt. Die Blattfeder 16 dient als Kraftspeicher, die die Dioden 2 und 4 über die Druckplatte 12 auf den Block 8 spannt. In der Druckplatte 12 ist die Spannschraube 14 verschraubt, die ein Widerlager be­ sitzt, an dem sich die Blattfeder 16 abstützt. Die Spann­ schraube 14 ist beispielsweise in eine Gewindebohrung der Blattfeder 16 geschraubt und das Gewinde der Spannschraube 14 ist das Widerlager. Der Spanndruck ist durch den Abstand zwi­ schen den Anschlagflächen der Blattfederenden an Gewindestüc­ ken der Spannbolzen 10 und der Auflagefläche des Widerlagers, und damit durch die Einschraubtiefe der Spannschraube 14 ge­ geben. Der Block 8 ist beispielsweise aus Aluminium und dient als Kühlkörper bzw. Kühlplatte. Dieser Kühlkörper 8 kann eine Flüssigkeitskühlung aufweisen. Die Spannbolzen 10, die die Stromschiene 6 durchdringen, sind jeweils mit einer Isolier­ hülse 18 versehen.

Außerdem weist diese Dioden-Anordnung noch zwei weitere Stromschienen 20 und 22 auf, wobei die Stromschiene 20 zwi­ schen den räumlich nebeneinander angeordneten oberen Dioden 2 und den Druckplatten 12 und die Stromschiene 22 zwischen den räumlich nebeneinander angeordneten unteren Dioden 4 und der Kühlplatte 8 angeordnet ist. Diese beiden Stromschienen 20 und 22 sind in ihrer Dicke wesentlich dünner als die mittig angeordnete Stromschiene 6. Das Dickenverhältnis kann bei­ spielsweise 1 : 5 sein. Die Stromschienen 6, 20, 22 sind aus Edelstahl, wobei die Stromschienen 20 und 22 jeweils bei­ spielsweise 1 mm und die Stromschiene 6 beispielsweise 5 mm dick sind. Diese Stromschienen 6, 20 und 22 können auch aus Stahl oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material sein. Bei der Auswahl des Dickenverhältnisses ist dabei zu beachten, daß die Dicke der Stromschienen 20 und 22 so ge­ wählt wird, daß diese Stromschienen 20 und 22 mechanisch fle­ xibel sind. Außerdem richtet sich die Dicke der Stromschienen 20 und 22 nach dem Widerstandswert, den die Dioden-Anordnung bei der Verwendung als Rückschwingdioden-Anordnung aufweisen soll. Die mechanisch flexible Stromschiene 20 gleicht außer­ dem die Toleranz der Diodendicke aus, ohne die Spannkräfte zu beeinflussen.

Der Seitenansicht von links der erfindungsgemäßen Dioden- Anordnung nach Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die beiden me­ chanisch flexiblen Stromschienen 20 und 22 einen gemeinsamen elektrischen Anschluß 24 bilden. Dazu sind diese Bereiche der Stromschienen 20 und 22 zueinander abgewinkelt. Durch diesen gemeinsamen elektrischen Anschluß 24 werden diese mechanisch flexiblen Stromschienen 20 und 22 gegenüber Stromkräften wi­ derstandsfähiger. Die mittlere Stromschiene 6 weist ebenfalls einen elektrischen Anschluß 26 auf, der räumlich benachbart zum Anschluß 24 angeordnet ist. Durch das elektrische Ersatz­ schaltbild einer Diode soll verdeutlicht werden, daß die Di­ oden 2 und 4 jeweils anodenseitig mit der mittleren Strom­ schiene 6 elektrisch leitend verbunden sind. Kathodenseitig sind diese Dioden 2 und 4 mit der mechanisch flexiblen Strom­ schiene 20 bzw. 22 elektrisch leitend verbunden. Diese Polung kann jedoch auch umgekehrt sein. Bei dieser dargestellten Po­ lung der elektrisch parallel geschalteten Dioden 2 und 4 wird der elektrische Anschluß 24 direkt mit einer positiven Strom­ schiene und der elektrische Anschluß 26 direkt mit einer ne­ gativen Stromschiene eines Spannungszwischenkreises eines Stromrichters elektrisch leitend verbunden. Dadurch fällt zwischen den Stromschienen 20 und 6 und 22 und 6 die Zwi­ schenkreisspannung ab.

Der Fig. 3, die eine Draufsicht auf die Dioden-Anordnung nach Fig. 1 zeigt, ist zu entnehmen, daß die Stromschienen 20, 6 und 22 jeweils mit wenigstens einem Einschnitt 28 ver­ sehen sind, wobei der Einschnitt 28 der mittleren Stromschie­ ne 6 durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist. Durch diese Einschnitte 28 wird eine annähernd gleiche Stromauftei­ lung des Kurzschlußstromes auf die elektrisch parallel ge­ schalteten Dioden 2 und 4 erreicht.

Neben dieser vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Dioden-Anordnung kann die Dioden-Anordnung auch ein­ stöckig ausgebildet sein. Bei einer derartigen einstöckigen Anordnung wird die mechanisch flexible Stromschiene 22 nicht benötigt. Damit der Bereich der mechanisch flexiblen Strom­ schiene 20, der den elektrischen Anschluß 24 bildet, nicht von den auftretenden magnetischen Stromkräften verbogen wird, kann dieser Bereich mit einer mechanischen Stützkonstruktion versehen werden. Anstelle von jeweils einer räumlich neben­ einander angeordneten Diode können auch mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Dioden verwendet werden. Ob und wieviele Dioden jeweils elektrisch in Reihe geschaltet werden müssen, hängt von der Sperrspannungsbelastung der einzelnen Diode ab. Demgegenüber hängt die Anzahl der elektrisch parallel ge­ schalteten Dioden von der Höhe des auftretenden Kurzschluß­ stromes ab, wobei die Aufteilung dieser elektrisch parallel geschalteten Dioden in eine ein- oder zweistöckige Anordnung vom vorhandenen Platz im Stromrichtergerät abhängig ist.

Claims (10)

1. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung mit mehre­ ren elektrisch parallel geschalteten, scheibenförmigen Dioden (2, 4) und zwei Stromschienen (6, 20), die mit einem Block (8) verspannt sind, wobei die Dicken der beiden Stromschienen (6, 20) unterschiedlich sind, und wobei die Dicke der einen Stromschiene (20) derartig gewählt ist, daß diese mechanisch flexibel ist.

2. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach An­ spruch 1, deren Dioden (2, 4) zweistöckig verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dickere Stromschiene (6) zwischen unteren und oberen räumlich nebeneinander angeordneten Dioden (4, 2) angeordnet ist, daß eine weitere mechanisch flexible Stromschiene (22) vorgesehen ist und daß diese mechanisch flexiblen Stromschienen (20, 22) derart geformt sind, daß sie einen gemeinsamen elektrischen Anschluß (24) bilden.

3. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschienen (6, 20, 22) jeweils derartig mit Einschnitten (28) versehen sind, daß sich in Stromfluß­ richtung vor jeder Diode (2, 4) ein annähernd gleichgroßer ohmscher Widerstand bildet.

4. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromschienen (6, 20, 22) aus Edelstahl sind.

5. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromschienen (6, 20, 22) aus Kupfer sind.

6. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweistöckig verspannten Dioden (2, 4) jeweils anoden­ seitig mit der dickeren Stromschiene (6) elektrisch leitend verbunden sind.

7. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweistöckig verspannten Dioden (2, 4) jeweils katho­ denseitig mit der dickeren Stromschiene (6) elektrisch lei­ tend verbunden sind.

8. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Block (8) ein Kühlkörper ist.

9. Niederinduktive, hochohmige Dioden-Anordnung nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper eine Flüssigkeitskühlung aufweist.

10. Verwendung der niederinduktiven, hochohmigen Dioden- Anordnung als Rückschwingdioden-Anordnung bei einem Strom­ richter mit Spannungszwischenkreis.